第一章计算机网络概述

## 第一章 计算机网络概述
### 计算机网络的定义和发展历史
#### 1.1.1 计算机网络的定义
计算机网络的定义可以从三个核心角度理解，每个角度都能帮我们更细致地搞清楚它到底是什么：
首先，从“物理连接”角度说，它是把多台“有独立功能”的计算机（比如个人电脑、服务器）和打印机、硬盘这些外部设备，用网线、光纤、WiFi设备这些“通信工具”实实在在连起来的系统。不是随便连就行，还得靠“网络操作系统”（比如管理网络的专用软件）、“通信协议”（就像计算机之间说话的“语法规则”，比如书中提到的TCP/IP协议）和“网络管理软件”来协调——这些工具就像“交通指挥”，保证数据能按规矩传，不会乱套。
其次，从“功能目的”角度看，它最核心的是实现“资源共享”和“信息传递”。比如你家里的电脑连了网，就能用邻居家共享的打印机打印文件（硬件资源共享），也能下载网上的软件（软件资源共享），还能给同学传作业文件（信息传递）。而且书中特别提到，用户用这些共享资源时，不用管资源在哪个物理位置——比如你用网盘里的文件，不用知道网盘服务器在哪个城市，点一下就能用。
最后，从“结构特点”角度，它有两个关键逻辑部分：“用户资源子网”和“通信子网”。“用户资源子网”就是直接给我们用的部分，比如你的电脑、学校的服务器，负责处理数据、提供共享的硬件/软件；“通信子网”则是“幕后传输员”，由路由器、交换机这些设备和网线组成，专门负责把数据从一台电脑传到另一台，不用用户操心传输细节。比如你给朋友发消息，消息先通过“用户资源子网”（你的电脑）处理，再交给“通信子网”（网线、路由器）传到朋友的电脑，整个过程你不用管消息走了哪条线路。
简单总结一下：这本书里的计算机网络，就是“连起来的独立计算机+管传输的规则和工具+能共享资源传信息”的综合系统，既要有实实在在的硬件连接，也要有软件和规则来保证“连得通、用得顺”。

#### 1.1.2 计算机网络的发展历史
计算机网络的发展历史丰富多样，按照不同的阶段划分有着不同的特点，下面从两种阶段划分方式展开介绍：
 - **按照早期阶段、互联网诞生与普及等五个阶段划分**：
    - **早期阶段（20世纪60年代 - 1970年代）**：20世纪60年代，计算机网络雏形出现，主要为共享大型计算资源，由美国国防部资助用于军事和学术目的。1969年的ARPANET是世界首个分组交换网络 ，是现代互联网前身，证明了计算机可通过网络通信。1970年的NCP协议用于处理数据传输，后被TCP/IP协议取代。
    - **互联网的诞生与普及（20世纪80年代 - 1990年代）**：20世纪80年代初，1983年TCP/IP协议成为ARPANET标准协议，标志现代互联网正式诞生，让不同计算机和网络能通信。1984年域名系统（DNS）引入，将域名映射到IP地址，简化互联网使用 。20世纪90年代，1991年蒂姆·伯纳斯 - 李发明万维网，开发首个网页浏览器和HTML标记语言，使互联网向公众开放。同时，互联网服务提供商（ISP）提供接入服务，电子邮件、网页浏览、FTP等应用广泛使用，推动互联网迅速普及。
    - **高速宽带与无线网络的兴起（21世纪初 - 2010年代）**：此阶段宽带互联网发展迅速，ADSL、光纤技术提升了互联网接入速度，为流媒体、在线游戏和高清视频等应用提供条件 。Wi-Fi技术大规模普及，用户可无线连接互联网，增加了上网便利性。
    - **移动互联网和云计算（2010年代）**：智能手机普及推动移动互联网发展，4G移动通信技术使用户能随时随地通过智能设备连接互联网，使用社交媒体、视频流和云存储等应用 。云计算出现，数据和服务可通过互联网远程存储和访问，降低企业部署和管理IT基础设施的成本。
    - **未来发展方向（2020年代及以后）** ：5G技术推出，提供更高带宽、更低延迟和更高连接密度，推动自动驾驶、物联网和增强现实/虚拟现实等前沿应用发展。物联网中越来越多设备连接到互联网，为智能家居、智慧城市和工业自动化等提供基础 。基于量子计算和量子通信技术的量子网络在研究中，未来可能改变信息传输的安全性和效率。
 - **按照计算机网络萌芽阶段、诞生阶段等四个阶段划分**：
    - **计算机网络萌芽阶段（1946 - 1969年）**：1946年世界上第一台计算机诞生，之后20多年计算机技术与通信技术开始结合探索。20世纪50年代初，美国建立的半自动地面防控系统SAGE，可视为网络雏形。
    - **计算机网络诞生阶段（20世纪70 - 1990年代）**：1969年美国国防部高级研究计划署（ARPA）建立ARPANet，最初连接4个节点，后扩展。它采用分组交换技术，是第一个真正意义上的计算机网络，标志着计算机网络的诞生 。
    - **计算机网络协议标准产生与确立阶段**：各大计算机公司制定自己的网络技术标准，但不同公司网络不能互联互通。国际标准化组织（ISO）于1977年设立机构研究，后提出开放式系统互联参考模型（OSI/RM），共七层，1984年正式发布，使各厂家设备、协议达到全网互联 。同期，TCP/IP协议逐渐发展并成为通用协议，其中TCP负责发现传输问题并要求重传，IP为联网设备规定地址。
    - **Internet国际互联阶段**：1986年，NSF建立国家科学基金网实现全美互联。1987年9月14日，CANET与德国卡尔斯鲁厄大学互联并发出第一封电子邮件。1993年6月，美国提出NII计划（信息高速公路计划 ）。1994年4月，中国正式加入信息高速公路。1997年4月，中国建设了四大网络（中国公用互联网、中国教育科研网、中国科学技术网、中国金桥网） 。21世纪以来，无线网络、移动网络、物联网等技术不断涌现，网络安全等问题也逐渐受到关注。
 
##  1.2计算机网络的功能和应用
### 1.2.1 计算机网络的功能
计算机网络的功能围绕“资源共享、高效通信、稳定运行”等核心需求展开，具体可细化为以下6个关键方面，每个功能都对应实际应用场景，且书中对其原理和价值有明确说明：

#### 1. 实现计算机系统的资源共享（最基本功能之一）
网络的核心价值之一是打破单机资源的局限。书中提到，单机的硬件（如大容量磁盘、光盘阵列、高速打印机）、软件（如工具软件、数据库系统）和数据资源（如数据文件、数据库）都是有限的，而接入网络后，用户在操作系统控制下，能跨设备使用这些资源。比如，办公室里多台电脑可共享一台高速打印机，避免每台电脑都配打印机的浪费；科研团队能通过网络共同使用一台存储海量数据的服务器，无需各自存储重复数据。同时，用户无需关注资源的物理位置，就像使用本地资源一样便捷，极大提升了资源利用率，降低了单个用户的设备成本。

#### 2. 实现数据信息的快速传递
计算机网络是通信技术与计算机技术结合的产物，能让分布在不同地域的计算机快速传递数据。书中举例，股票期货交易需要实时传输价格数据，电子函件、网上购物、电子贸易依赖即时信息交互，这些场景都离不开网络的高速数据传递能力——它能极大缩短不同地点间数据传输的时间，比如从北京向上海发送一份几十MB的文件，通过网络几分钟内就能完成，而传统物理传输方式（如U盘邮寄）则需要数天。此外，随着网络覆盖范围扩大，信息传递逐渐摆脱地理位置和时间的限制，比如连入Internet的用户可随时查阅全球各地的新闻、学术资料，实现“随时获取、即时交互”。

#### 3. 提高系统可靠性
书中指出，单个计算机或设备可能因硬件故障、软件问题暂时失效，而网络能通过“多备份、多路由”机制降低这种风险。一方面，重要资源（如企业的核心数据库）可在网络中多个地点做备份，比如把数据同时存储在总部服务器和异地备份服务器，即使其中一台服务器故障，也能从其他备份中恢复数据；另一方面，用户访问某一资源时，可通过多条路由实现——比如从武汉访问广州的服务器，既可以走“武汉-长沙-广州”的线路，也可以走“武汉-南昌-广州”的线路，若其中一条线路故障，网络会自动切换到其他可用线路，避免因单一设备或链路故障导致服务中断。

#### 4. 提供负载均衡与分布式处理能力
这一功能主要解决“高负载场景下的效率问题”。书中分两种情况说明：
- **负载均衡**：针对高访问量场景，比如大型互联网公司（如视频平台、电商平台），会在全球多个地区部署相同内容的服务器（如WWW服务器），通过技术让不同地域的用户访问“离自己最近的服务器”——比如北京用户访问某视频网站时，自动连接北京的服务器，广州用户连接广州的服务器，这样既能避免某一台服务器因访问量过大而卡顿，也能减少用户等待时间，实现各服务器“负荷均匀”。
- **分布式处理**：把复杂的大型任务拆分成多个小任务，分配给网络中不同的计算机并行处理，而非依赖一台大型计算机。比如气象部门的天气预报计算，需要处理海量的气象数据（温度、湿度、气压等），可将数据拆分到多台计算机上分别计算，最后汇总结果，这样既能提高计算效率，也能降低对单台高性能计算机的依赖，减少成本。

#### 5. 实现集中管理
对于地理位置分散但需要统一管理的事务，网络是核心支撑。书中举例，飞机、火车订票系统需要实时同步全国的票务信息——北京的用户订一张“北京-上海”的机票，系统要立即更新上海、广州等其他城市的余票数据，避免超售，这必须通过网络实现全国票务数据的集中管理；再比如银行的通存通兑业务，用户在杭州的银行存的钱，能在成都的银行取出，背后是网络将全国各银行网点的用户账户数据集中到总行服务器，实现“数据统一管理、业务跨地域办理”。若没有网络，这些分散的事务无法实现高效协同，更无法保证数据一致性。

#### 6. 提供综合信息服务
随着网络发展，它逐渐成为“多维化的信息集成平台”，书中提到，网络不仅能传递文字、数据，还能整合语音、图像、动画等多媒体信息，提供多样化服务。比如，用户可通过网络观看直播（整合视频、语音）、参与在线课堂（整合课件、互动语音）、使用视频会议系统（整合多地画面、实时语音）；同时，网络还能聚合不同领域的资源，比如一个政务平台可同时提供“社保查询、违章处理、证件办理”等多种服务，用户无需切换多个系统，在一个平台就能完成多类事务，体现了“一站式信息服务”的特点。

## 1.2.2 计算机网络的应用
计算机网络凭借其强大的功能，已渗透到现代生活和生产的多个领域，书中明确介绍了以下几类核心应用场景，每个场景都结合实际需求说明了网络的具体作用：

### 1. 办公自动化（提升办公效率与协同能力）
书中提到，传统办公依赖单机文字处理、传真机、复印机等设备，效率低且难以协同，而计算机网络改变了这一模式——它能将单位内的微机、数字复印机、打印机等设备连成网络，实现“公文处理、会议管理、信息发布、车辆调度”等业务的高效协同。比如，员工可通过网络在线编辑共享文档，多人实时修改并同步内容，无需反复传文件；会议通知可通过网络直接推送到所有参会人员的电脑或终端，还能通过视频会议系统实现异地人员“面对面”讨论；单位的车辆调度信息可实时更新在网络平台上，员工能随时查看车辆使用状态，避免资源闲置或冲突。这种网络化办公模式，大幅减少了纸质文件传递、人工沟通的成本，让办公流程更顺畅。

### 2. 管理信息系统（支撑企业/组织的精细化管理）
对于现代化企业或机构，网络是管理信息系统的核心载体。书中指出，企业内的“计划统计、劳动人事、仓库设备、生产管理、财务管理”等子系统，可通过网络连接成一个整体，实现数据共享与实时传输。例如，仓库管理子系统录入“原材料入库”数据后，生产管理子系统能立即获取库存信息，判断是否满足生产需求；财务子系统可实时调取销售数据，自动核算营收与成本；厂长或经理通过查询子系统，能随时查看各子系统的实时数据，快速做出管理决策。这种基于网络的管理模式，避免了各部门数据“孤岛”问题，让企业管理更精准、高效，也是企业信息化的核心基础。

### 3. 过程控制（优化工业生产的自动化与协同性）
在现代化工厂中，网络是实现生产过程自动化控制的关键。书中举例，各生产车间的生产设备（如机床、流水线控制器）可通过网络互联，实时交换生产数据、协调工作——比如，车间A的零部件加工完成后，通过网络将“完工信号”发送给车间B，车间B的流水线自动启动装配流程；同时，网络还能将生产过程中的关键参数（如温度、压力、转速）实时传输到中央控制室，工作人员可远程监控设备运行状态，若出现参数异常，能通过网络远程调整设备参数或触发停机保护，避免生产事故。这种网络化的过程控制，不仅提高了生产效率，还能保证产品质量的稳定性，减少人工干预的误差。

### 4. Internet应用（覆盖日常与专业领域的多样化需求）
书中重点介绍了Internet的四大核心应用，这些应用也是当前网络最普及的场景：
- **电子函件（E-mail）**：作为Internet最早期的应用之一，电子函件能实现“快速、低成本”的信息传递，书中提到，它支持一对多发送、信件转发与回复，还能在信件中包含声音、图像等多媒体信息——比如，企业可通过邮件向多个客户发送产品介绍，用户可通过邮件接收带附件的文档、照片；此外，用户还能“订阅”信息（如行业资讯、期刊摘要），系统会定期通过邮件推送，相比传统信件，效率提升数十倍，成本却极低。
- **信息发布（WWW服务）**：随着WWW技术的发展，企业、政府、学校甚至个人都能建立网站发布信息，书中指出，网络已成为继报纸、广播、电视后的“第四媒体”——比如，企业通过官网展示产品、招聘信息，政府通过政务网站发布政策、办事指南，农民可通过网络发布农产品销售信息，用户则能通过浏览器快速查询所需内容，信息获取的效率和范围大幅提升。
- **电子商务（E-Commerce）**：作为Internet应用的核心阶段，电子商务涵盖B-B（企业对企业）、B-C（企业对个人）、C-C（个人对个人）等模式，书中提到，它改变了传统商业流程——比如，企业可通过B-B模式在线采购原材料，减少中间环节成本；个人可通过B-C模式在电商平台购物，足不出户获取商品；C-C模式则支持个人之间的闲置物品交易。尽管电子商务在安全、法律等方面仍有挑战，但已成为知识经济时代的重要发展趋势。
- **远程音频、视频应用**：依托网络通信技术的进步，跨地域的声音、图像传输成为现实。书中举例，视频点播（VOD）服务让用户能主动点播节目库中的内容；IP电话、网上可视电话实现异地“实时通话+画面交互”；远程多媒体教学让学生能观看异地教师的授课视频、参与互动；网上医院则支持远程影像传输（如X光片、CT影像），方便专家异地会诊。这些应用打破了空间限制，让优质资源（如教育、医疗资源）能更广泛地共享。

第一章 计算机网络概述

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